Was ist Natrium?

Aug 26, 2023

Es stellte sich heraus, dass es wie bei allem anderen nur mehr Salz brauchte.

Natriumionenbatterien (Na-Ionen) verwenden Natriumionen anstelle von Lithiumionen, um Strom zu speichern und bereitzustellen. Natrium kommt viel häufiger vor und ist umweltfreundlicher als Lithium, aber es gibt noch einige Herausforderungen, um Natrium-Ionen-Batterien zum neuen Batterie-Champion zu machen.

Batterien werden im täglichen Leben immer wichtiger, und wer eine bessere Batterie entwickelt, hat die Welt auf dem Tisch. Natrium-Ionen-Batterien gehören zu den Top-Anwärtern auf die Krone der Lithium-Ionen-Batterien, aber was genau macht sie so besonders?

Natriumionenbatterien sind Batterien, die Natriumionen (winzige Partikel mit positiver Ladung) anstelle von Lithiumionen verwenden, um Energie zu speichern und abzugeben. Natrium-Ionen-Batterien zeigten in den 1990er-Jahren ihre kommerzielle Realisierbarkeit als mögliche Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, wie sie üblicherweise in Telefonen und Elektroautos verwendet werden.

Natrium-Ionen-Batterien, auch Na-Ionen-Batterien genannt, nutzen eine chemische Reaktion zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie. Wie alle Batterien verfügen sie über zwei Elektroden (eine positive und eine negative Elektrode), die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Substanz, die es Ionen (winzige Partikel mit positiver oder negativer Ladung) ermöglicht, sich zwischen den Elektroden zu bewegen.

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Natriumionenbatterien funktionieren ähnlich wie Lithiumionenbatterien, verwenden jedoch Natriumionen anstelle von Lithiumionen. Die Wahl der Materialien für die Elektroden und Elektrolyte kann sich auf die Leistung und Lebensdauer der Batterie auswirken. Daher experimentieren Forscher ständig mit verschiedenen Kombinationen, um die beste Kombination aus Kosten, Leistung und Sicherheit zu finden. Im Allgemeinen enthalten die Kathode (die negative Elektrode) und der Elektrolyt Natrium.

Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien, und es gibt zahlreiche Forschungsarbeiten, um sie noch besser zu machen, als sie es derzeit sind. Dennoch haben Natrium-Ionen-Batterien ihnen gegenüber einige deutliche Vorteile.

Es gibt keine perfekte Batterietechnologie, und es gibt einige Gründe, warum Natrium-Ionen-Batterien die Lithium-Batterien noch nicht abgelöst haben.

Abgesehen von diesen technischen Vor- und Nachteilen muss die Herstellungskette für Natrium-Ionen-Batterien noch einige Probleme lösen, bevor sie zu einem weit verbreiteten kommerziellen Produkt werden kann. Ganz zu schweigen davon, dass Ingenieure und Wissenschaftler an Lösungen für die verbleibenden Schwachstellen dieser Batterietechnologie arbeiten.

Forscher und Unternehmen auf der ganzen Welt arbeiten daran, die Leistung und Marktfähigkeit von Natrium-Ionen-Batterien zu verbessern. Zu den Schwerpunkten zählen die Verbesserung der Energiedichte und Spannung von Natrium-Ionen-Batterien sowie die Erhöhung ihrer Lebensdauer und Lade-/Entladerate.

Wenn diese Bemühungen erfolgreich sind, könnten Natrium-Ionen-Batterien in Zukunft eine sinnvolle Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sein. Sie könnten potenziell in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, darunter tragbare Elektronik, Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeichersysteme.

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Im Jahr 2022 gelang Forschern des US-Energieministeriums ein großer Durchbruch bei der Verbesserung der Haltbarkeit von Natrium-Ionen-Batterien. Durch eine teilweise Änderung der Chemie der Batterie hielten die münzgroßen Prototypbatterien mehr als 300 Zyklen und behielten dabei eine Kapazität von mehr als 90 %. Doch auch ohne diesen neuen Ansatz in der Chemie scheint es, dass Natrium-Ionen-Batterien ohnehin kurz vor der Massenproduktion stehen.

Im Dezember 2022 wurde berichtet, dass ein Unternehmen namens HiNa in Zusammenarbeit mit der staatlichen chinesischen China Three Gorges Corporation mit der Massenproduktion von Natrium-Ionen-Batterien begonnen hatte. Die erste Generation der HiNa-Batterien bietet eine Energiedichte von 125 Wh/kg, was etwa der Hälfte der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien entspricht. Allerdings sind diese Akkus für etwa 4500 Ladezyklen ausgelegt, was deutlich mehr ist als typische Lithium-Ionen-Akkus.

Typische Lithium-Eisenphosphat-Batterien bieten ähnliche Energiedichten wie Natrium-Ionen-Batterien, und auch die Nennzahl der Ladezyklen ist ähnlich. Damit stehen Natrium-Ionen-Batterien in direkter Konkurrenz zu diesen Batterien für Anwendungen wie Notstromwechselrichter oder Elektrofahrzeuge.

Die nächste Generation dieser HiNa-Batterien soll eine Energiedichte von 200 Wh/kg haben, und zukünftige Generationen werden diese voraussichtlich übertreffen. Wenn man bedenkt, dass einige Elektroautos mit Lithiumbatterien eine Energiedichte von weniger als 250 Wh/kg haben, haben diese frühen, in Massenproduktion hergestellten Natriumionenbatterien ein erhebliches Potenzial, die Kosten für die Stromspeicherung zu senken.

Erwarten Sie diese Technologie jedoch, genau wie bei LiFeP04-Akkus, in absehbarer Zeit nicht in Ihrem Smartphone oder Laptop. Bei diesen kleinen Geräten ist die Energiedichte immer noch der wichtigste Aspekt. Seien Sie jedoch nicht überrascht, wenn Ihr Elektroauto oder Ihr Solarbatteriesystem in naher Zukunft etwas salziger wird.

Sydney Butler ist ein Technologieautor mit über 20 Jahren Erfahrung als freiberuflicher PC-Techniker und Systembauer. Er ist seit mehr als einem Jahrzehnt in der Benutzerschulung tätig. Bei How-To Geek konzentriert er sich auf die Erstellung von Handelsinhalten mit einfachen Kaufratschlägen und sorgfältig ausgewählten Produktvorschlägen. Sydney begann im Alter von etwa 13 Jahren als freiberuflicher Computertechniker zu arbeiten, bevor er für die Leitung des Rechenzentrums seiner Schule verantwortlich war . (Er veranstaltete auch LAN-Gaming-Turniere, wenn die Lehrer nicht zusahen!) Zu seinen Interessen zählen VR, PC, Mac, Spiele, 3D-Druck, Unterhaltungselektronik, das Internet und Datenschutz. Er hat einen Master of Arts in Forschungspsychologie mit ein Nebenfach in Medien- und Technologiewissenschaften. In seiner Masterarbeit untersuchte er das Potenzial sozialer Medien zur Verbreitung von Fehlinformationen.